感應電爐設備結構
感應爐是利用電磁場感應原理將電能轉化為熱能，使金屬爐料發熱熔化的高溫熔煉設備。按結構分,有無芯感應爐（坩堝式）和有芯感應爐（溝槽式）兩大類，如圖3-1~圖3-3所示。
感應爐具有高效、節能、低污染、成分易調節（無芯爐）、氣氛易控制等優點，因此在鑄造、煉鋼、有色熔煉、精密合金生產等方面得到了廣泛應用。然而，感應爐的發展在一定程度上卻受高功率電源以及長壽命耐火材料的限制。隨著大功率晶閘管變頻電源的開發和可靠性的提高，中頻感應電爐逐步取代工頻感應電爐以及感應爐，向大容量、高功率方向發展，應用領域不斷擴展，工作條件日益苛刻，從而對耐火材料提出了更高的要求。
感應電爐對耐火材料的要求
感應爐用耐火材料處于相對單薄的斷面（見圖3-2)和許多熔煉操作的強侵蝕性環境的使用條件下，而經常成了停爐的原因。這表明感應爐已成了所有耐火材料應用場合中最具有挑戰性的一個。
感應爐煉鋼方法按耐火材料性質分為酸性冶煉法和堿性冶煉法。酸性冶煉法冶煉時造酸性渣，所以耐火材料主要為石英砂和鋯英石，其打結、供烤、燒結過程與冶煉鑄鐵時相近。石英砂或者鋯英石爐襯一般用于低碳鋼或者低合金鋼的冶煉。堿性冶煉法冶煉時造堿性渣，所以耐火材料為中性、堿性耐火材料或者石墨坩堝等，適用于高合金鋼、特殊鋼、精密合金鋼等鋼種的冶煉。
在歷史上，有多種系列耐火材料用于感應爐內襯,其中SiO2質和鋯英石質由于其酸性曾經偶爾被采用，并延續至今，但更流行的感應爐煉鋼用耐火材料主要是高鋁質、MgO-CaO質和由Spinel組成的耐火材料。
感應爐由于功能的多樣化，需要多種高性能耐火材料與之相適應。也就是說，耐火材料在感應爐中的應用，不僅需考慮爐型、爐體結構和熔煉工藝，而且也要考慮耐火材料的材質及其從常溫到工作溫度之間的礦物相、物理性能變化過程和變化機理；同時還要根據應用要求，特別是革新設備的應用要求進行耐火材料的選擇和材料性能的改進。
在煉鋼應用爐日趨大型化和高功率化的今天，重點則采用A12O3基耐火材料并盡量提高其使用性能。由于“配料熔煉”(使用直接還原鐵球作添加料等）無芯感應爐的侵蝕性環境和極嚴峻的熱震條件，必須向A12O3基耐火材料中配入MgO、鉻礦(包括Cr2O3粉）和預合成Spinel等，以優化材料的性能。
有芯感應爐用耐火材料
爐膛用耐火材料
在有芯感應爐熔煉灰鐵或球墨鑄鐵時，與無芯感應爐不同，爐膛壽命主要取決于所用耐火材料與熔渣中侵蝕性成分之間的反應，而耐火材料本身的物理特性對爐膛壽命的影響則居于次要地位。對于灰鐵保溫爐、熔化爐而言，爐渣是酸性的；對于球墨鑄鐵保溫爐、熔化爐而言，爐渣的酸堿性隨冶煉過程變化而交替變化，但普遍的情況，其球化過程的爐渣為酸性，這就表明爐襯應主要選用中性耐火材料。
熔煉灰鐵和球鐵的有芯感應爐的操作溫度為1450~1550℃,爐膛內襯損毀原因主要是渣線部位受渣滲透和侵蝕導致內襯變質，產生變質層，其致密度、強度和楊氏模量與原質層都不同，從而導致裂紋和結構剝落，或者形成低熔相而導致內襯耐火材料熔蝕、流失。例如：進鐵口和出鐵口部位因受鐵液沖刷，熔渣侵蝕，尤以進鐵口部位損毀嚴重，常常導致隔墻倒塌或烘爐燒結期間嚴重裂紋或剝落；中途更換感應圈時，傾爐倒空鐵水，溫度下降（700~1200℃)，也容易產生熱震損傷。
所有上述情況都說明，有芯感應爐爐膛里襯應選用抗蝕性、抗沖刷、抗滲透、化學穩定性高的耐火材料。通常，選用電熔剛玉作骨料，配入適量燒結氧化鋁細粉，并用以高鋁水泥為結合劑的低水泥和超低水泥作耐火澆注料。為了改善內襯的抗熱震性并考慮到爐內多為還原性氣氛這一情況，可在澆注料中添加一定數量含鐵低的SiC,而獲得含SiC的高技術AI2O3-SiC質耐火澆注料。這種高技術耐火澆注料作為有芯感應爐爐膛內襯耐火材料時可獲得很高的使用壽命，但他卻取決于感應圈的壽命和更換次數，一般感應圈兩年更換一次。
感應器用耐火材料
感應器用耐火材料包括熔溝部位耐火材料、封口料和隔離料。熔溝與水套之間最薄處的厚度約為70mm，而該處溫度又最高，達1600~1700丈，感應器爐殼以及線圈均強制水冷，因而爐子內襯內部溫度梯度很大。此外，熔溝材料還受高速鐵液沖刷、強烈電磁攪拌和鐵液靜荷載的作用，因此，這一部位耐火材料處于苛刻的操作條件之中，所以要求內襯耐火材料具有高溫強度大、化學穩定性高、體積穩定性好而且致密等特點?？紤]到熔溝的復雜形狀以及耐火材料所處的工作環境，一般采用以電熔鎂砂或者Al2O3-MgO砂為原料的耐火澆注料或打結料(主要為干式打結料）。
封口料的設計與熔溝內襯材質相同。封口料主要是使對接面的感應器在常溫下具有一定的強度，對接后使感應爐與爐體緊密無縫。選用A12O3質封口料時，可選用高鋁水泥或者H3PO4作為結合劑，而在快速更換感應器時則以H3PO4作為結合劑,因其具有熱硬化性，可有效地防止現場最容易出現的結合面料爆裂事故發生，提高對接速度和效率。
隔離料使用Cr2O3粉是因為它與爐膛里襯材料（Al2O3質）或感應器料（Al2O3-MgO質）的燒結溫度高，在使用溫度下基本上不產生陶瓷燒結層，從而有利于感應器和爐體喉部耐火材料的分離。
爐蓋用耐火材料
爐蓋一般由保溫層和熱面層構成、前者以高鋁輕質磚砌筑或Al2O3空心球顆粒為主原料，用以高鋁水泥為結合劑的耐火澆注料筑成；而后者則以AS-85/SO熟料為骨料和細粉，并配人適量鎂砂細粉，用以高鋁水泥作為結合劑的耐火澆注料筑成。在實際筑襯時輔以錨固磚或者耐熱錨固件，以提高內蓋內襯抵抗高溫氣流沖蝕的能力，提高抗熱震性和耐用性能，延長使用壽命。
熔煉有色金屬用耐火材料
在有色金屬加工廠可采用有芯感應爐對其進行熔煉加工。當用有芯感應爐培煉銅時，其操作溫度介于1200~1350℃），感應器熔溝部位溫度高達1350~1450℃。由于銅的熔點低，銅液黏度小（接近水的黏度），密度大，具有極強的滲透性。并且，滲透的銅易氧化，伴有體積增大，當向這種材料中添加適量鋼纖維時便可提高其抗剝落性能。
熔化Cu的有芯感應爐的感應器熔溝部位耐火材料則選用致密鋁礬土熟料為主要原料，考慮到Cu的強滲透性，向配料中添加細粒SiC，以提高材料的抗潤濕性。內襯砌筑方法有打結（以H3PO4為結合劑）或者干法震動成型（加燒結劑）。
Al和Zn的溶點低，溶體黏度小，滲透能力很強。鋁的化學活性高，高溫下為強還原劑,易與耐火材料成分發生化學反應。尤其在耐火材料一鋁液一氣相三相交界處，Al及其合金元素，如Mg、Si、Mn等易滲透進人耐火材料基體中，發生氧化還原反應，導致耐火材料變質、結構疏松而損毀，因此，一般選用以鋁礬土（AS-85/88)為原料制成的耐火材料筑襯。通常采用澆筑成型，以獲得致密的整體爐襯。而煉鋁用槽型感應式電爐內襯，也可采用A12O3含量為60%的礬土熟料-MgO(2%)大磚砌筑。
結論
感應爐是所有耐火材料應用場合中最具挑戰性的一種。大批量感應煉鋼裝置的裝配成功急需提高耐火材料的使用性能，結果則促進了感應煉鋼用耐火材料性能的不斷改進。
感應爐用耐火材料需要根據爐型、爐子結構、所熔煉的鋼鐵種類、熔煉工藝和操作條件等進行選擇，同時也應考慮耐火材料的材質從室溫到工作溫度之間的物相和物理性能的變化過程和變化機理，以及耐火材料應用條件等。
感應爐是利用電磁場感應原理將電能轉化為熱能，使金屬爐料發熱熔化的高溫熔煉設備。按結構分,有無芯感應爐（坩堝式）和有芯感應爐（溝槽式）兩大類，如圖3-1~圖3-3所示。
感應爐用耐火材料處于相對單薄的斷面（見圖3-2)和許多熔煉操作的強侵蝕性環境的使用條件下，而經常成了停爐的原因。這表明感應爐已成了所有耐火材料應用場合中最具有挑戰性的一個。
感應爐煉鋼方法按耐火材料性質分為酸性冶煉法和堿性冶煉法。酸性冶煉法冶煉時造酸性渣，所以耐火材料主要為石英砂和鋯英石，其打結、供烤、燒結過程與冶煉鑄鐵時相近。石英砂或者鋯英石爐襯一般用于低碳鋼或者低合金鋼的冶煉。堿性冶煉法冶煉時造堿性渣，所以耐火材料為中性、堿性耐火材料或者石墨坩堝等，適用于高合金鋼、特殊鋼、精密合金鋼等鋼種的冶煉。
在歷史上，有多種系列耐火材料用于感應爐內襯,其中SiO2質和鋯英石質由于其酸性曾經偶爾被采用，并延續至今，但更流行的感應爐煉鋼用耐火材料主要是高鋁質、MgO-CaO質和由Spinel組成的耐火材料。
感應爐由于功能的多樣化，需要多種高性能耐火材料與之相適應。也就是說，耐火材料在感應爐中的應用，不僅需考慮爐型、爐體結構和熔煉工藝，而且也要考慮耐火材料的材質及其從常溫到工作溫度之間的礦物相、物理性能變化過程和變化機理；同時還要根據應用要求，特別是革新設備的應用要求進行耐火材料的選擇和材料性能的改進。
在煉鋼應用爐日趨大型化和高功率化的今天，重點則采用A12O3基耐火材料并盡量提高其使用性能。由于“配料熔煉”(使用直接還原鐵球作添加料等）無芯感應爐的侵蝕性環境和極嚴峻的熱震條件，必須向A12O3基耐火材料中配入MgO、鉻礦(包括Cr2O3粉）和預合成Spinel等，以優化材料的性能。
有芯感應爐用耐火材料
在有芯感應爐熔煉灰鐵或球墨鑄鐵時，與無芯感應爐不同，爐膛壽命主要取決于所用耐火材料與熔渣中侵蝕性成分之間的反應，而耐火材料本身的物理特性對爐膛壽命的影響則居于次要地位。對于灰鐵保溫爐、熔化爐而言，爐渣是酸性的；對于球墨鑄鐵保溫爐、熔化爐而言，爐渣的酸堿性隨冶煉過程變化而交替變化，但普遍的情況，其球化過程的爐渣為酸性，這就表明爐襯應主要選用中性耐火材料。
熔煉灰鐵和球鐵的有芯感應爐的操作溫度為1450~1550℃,爐膛內襯損毀原因主要是渣線部位受渣滲透和侵蝕導致內襯變質，產生變質層，其致密度、強度和楊氏模量與原質層都不同，從而導致裂紋和結構剝落，或者形成低熔相而導致內襯耐火材料熔蝕、流失。例如：進鐵口和出鐵口部位因受鐵液沖刷，熔渣侵蝕，尤以進鐵口部位損毀嚴重，常常導致隔墻倒塌或烘爐燒結期間嚴重裂紋或剝落；中途更換感應圈時，傾爐倒空鐵水，溫度下降（700~1200℃)，也容易產生熱震損傷。
所有上述情況都說明，有芯感應爐爐膛里襯應選用抗蝕性、抗沖刷、抗滲透、化學穩定性高的耐火材料。通常，選用電熔剛玉作骨料，配入適量燒結氧化鋁細粉，并用以高鋁水泥為結合劑的低水泥和超低水泥作耐火澆注料。為了改善內襯的抗熱震性并考慮到爐內多為還原性氣氛這一情況，可在澆注料中添加一定數量含鐵低的SiC,而獲得含SiC的高技術AI2O3-SiC質耐火澆注料。這種高技術耐火澆注料作為有芯感應爐爐膛內襯耐火材料時可獲得很高的使用壽命，但他卻取決于感應圈的壽命和更換次數，一般感應圈兩年更換一次。
感應器用耐火材料
感應器用耐火材料包括熔溝部位耐火材料、封口料和隔離料。熔溝與水套之間最薄處的厚度約為70mm，而該處溫度又最高，達1600~1700丈，感應器爐殼以及線圈均強制水冷，因而爐子內襯內部溫度梯度很大。此外，熔溝材料還受高速鐵液沖刷、強烈電磁攪拌和鐵液靜荷載的作用，因此，這一部位耐火材料處于苛刻的操作條件之中，所以要求內襯耐火材料具有高溫強度大、化學穩定性高、體積穩定性好而且致密等特點?？紤]到熔溝的復雜形狀以及耐火材料所處的工作環境，一般采用以電熔鎂砂或者Al2O3-MgO砂為原料的耐火澆注料或打結料(主要為干式打結料）。
封口料的設計與熔溝內襯材質相同。封口料主要是使對接面的感應器在常溫下具有一定的強度，對接后使感應爐與爐體緊密無縫。選用A12O3質封口料時，可選用高鋁水泥或者H3PO4作為結合劑，而在快速更換感應器時則以H3PO4作為結合劑,因其具有熱硬化性，可有效地防止現場最容易出現的結合面料爆裂事故發生，提高對接速度和效率。
隔離料使用Cr2O3粉是因為它與爐膛里襯材料（Al2O3質）或感應器料（Al2O3-MgO質）的燒結溫度高，在使用溫度下基本上不產生陶瓷燒結層，從而有利于感應器和爐體喉部耐火材料的分離。
爐蓋用耐火材料
爐蓋一般由保溫層和熱面層構成、前者以高鋁輕質磚砌筑或Al2O3空心球顆粒為主原料，用以高鋁水泥為結合劑的耐火澆注料筑成；而后者則以AS-85/SO熟料為骨料和細粉，并配人適量鎂砂細粉，用以高鋁水泥作為結合劑的耐火澆注料筑成。在實際筑襯時輔以錨固磚或者耐熱錨固件，以提高內蓋內襯抵抗高溫氣流沖蝕的能力，提高抗熱震性和耐用性能，延長使用壽命。
熔煉有色金屬用耐火材料
在有色金屬加工廠可采用有芯感應爐對其進行熔煉加工。當用有芯感應爐培煉銅時，其操作溫度介于1200~1350℃），感應器熔溝部位溫度高達1350~1450℃。由于銅的熔點低，銅液黏度小（接近水的黏度），密度大，具有極強的滲透性。并且，滲透的銅易氧化，伴有體積增大，當向這種材料中添加適量鋼纖維時便可提高其抗剝落性能。
熔化Cu的有芯感應爐的感應器熔溝部位耐火材料則選用致密鋁礬土熟料為主要原料，考慮到Cu的強滲透性，向配料中添加細粒SiC，以提高材料的抗潤濕性。內襯砌筑方法有打結（以H3PO4為結合劑）或者干法震動成型（加燒結劑）。
Al和Zn的溶點低，溶體黏度小，滲透能力很強。鋁的化學活性高，高溫下為強還原劑,易與耐火材料成分發生化學反應。尤其在耐火材料一鋁液一氣相三相交界處，Al及其合金元素，如Mg、Si、Mn等易滲透進人耐火材料基體中，發生氧化還原反應，導致耐火材料變質、結構疏松而損毀，因此，一般選用以鋁礬土（AS-85/88)為原料制成的耐火材料筑襯。通常采用澆筑成型，以獲得致密的整體爐襯。而煉鋁用槽型感應式電爐內襯，也可采用A12O3含量為60%的礬土熟料-MgO(2%)大磚砌筑。
結論
感應爐是所有耐火材料應用場合中最具挑戰性的一種。大批量感應煉鋼裝置的裝配成功急需提高耐火材料的使用性能，結果則促進了感應煉鋼用耐火材料性能的不斷改進。
感應爐用耐火材料需要根據爐型、爐子結構、所熔煉的鋼鐵種類、熔煉工藝和操作條件等進行選擇，同時也應考慮耐火材料的材質從室溫到工作溫度之間的物相和物理性能的變化過程和變化機理，以及耐火材料應用條件等。
